Las herramientas y los parámetros siguen desempeñando un papel clave en el éxito del mecanizado

Introducción

Aunque las piezas, los materiales de las piezas de trabajo y los procesos de mecanizado con los que trabajan difieren ampliamente, todos los fabricantes comparten el objetivo de mecanizar una cierta cantidad de piezas de una calidad deseada, en un período de tiempo específico, a un costo adecuado.

Los fabricantes suelen lograr sus objetivos siguiendo un modelo de perspectiva estrecha que comienza con la selección y aplicación de herramientas y resuelve los problemas de forma reactiva. Revertir ese enfoque producirá reducciones de costos y mayor eficiencia. En lugar de esperar a que surjan problemas y luego hacer ajustes a las operaciones de mecanizado individuales, los fabricantes deben centrarse primero en la planificación previa proactiva destinada a eliminar las piezas rechazadas y el tiempo de inactividad. Después de establecer un proceso estable y confiable, los conceptos de economía de producción pueden aplicarse para lograr un equilibrio entre la tasa de producción y los costos de fabricación. Luego, a través de una cuidadosa selección de herramientas de corte y parámetros de mecanizado, los fabricantes pueden optimizar completamente sus operaciones y cumplir con sus objetivos de producción.

Selección de herramientas y condiciones de corte

La selección de herramientas de corte de metales suele estar orientada a la aplicación:un taller busca una herramienta para mecanizar un determinado material de la pieza de trabajo, como acero o aluminio, o realizar una operación específica, como desbaste o acabado. Un enfoque más beneficioso para la selección de herramientas comienza con la consideración de cómo la operación de mecanizado encaja en el negocio general de un fabricante.

La primera prioridad de este enfoque es garantizar la confiabilidad del proceso y eliminar la ocurrencia de piezas rechazadas y el tiempo de inactividad no planificado. La fiabilidad, genéricamente descrita, es una cuestión de respeto de las normas. Si un taller no reconoce ni respeta los efectos de las fuerzas de corte, térmicas y químicas en la herramienta, la confiabilidad será reemplazada por la falla de la herramienta.

Después de establecer un proceso estable, las características de las herramientas y las condiciones de corte deben elegirse para que coincidan con los objetivos generales del negocio de metalurgia. Por ejemplo, maximizar la producción a costos mínimos puede ser la consideración principal en la producción en masa de piezas simples. Pero, por otro lado, en la fabricación de bajo volumen y mezcla alta de piezas complejas valiosas, se debe enfatizar la confiabilidad y precisión totales antes de abordar los costos de fabricación. La flexibilidad es un requisito de los sistemas de herramientas que se aplican en estos escenarios de lotes pequeños.

Si la rentabilidad es un objetivo principal, el herramental debe seleccionarse en función de un bajo costo por filo de corte, y la elección de las condiciones de corte debe estar en equilibrio con esa selección. Los parámetros de mecanizado deben enfatizar la vida útil prolongada de la herramienta, así como la confiabilidad del proceso. Si, por el contrario, la calidad de la pieza de trabajo es la máxima prioridad, el enfoque correcto será el uso de herramientas de precisión de alto rendimiento aplicadas en las condiciones de corte adecuadas. Cualquiera que sea el objetivo, cada conjunto diferente de objetivos conduce a la selección de diferentes condiciones y herramientas de corte.

Selección y ajuste de las condiciones de corte

En la planificación inicial del mecanizado de una nueva pieza, la selección de herramientas y condiciones de corte debe comenzar considerando el método de mecanizado, la geometría de la herramienta y el material de la herramienta. La pieza que se mecaniza determinará en gran medida esos requisitos. Por ejemplo, un componente aeroespacial a base de níquel puede dictar el fresado de perfiles con una fresa de extremo de carburo sólido de geometría positiva. La elección está guiada por los objetivos básicos del taller en términos de tasa de producción, costo y calidad de las piezas de trabajo, y depende de la profundidad de corte, la velocidad de avance y la velocidad de corte que se pueden aplicar para lograr esos objetivos.

Un proceso de selección diferente es apropiado para modificar las operaciones de fabricación de piezas existentes para producir mejores resultados en términos de productividad, economía o confiabilidad. En estos casos, se recomienda un enfoque paso a paso, comenzando con cambios en las condiciones de corte, luego geometrías, materiales de corte, conceptos de herramientas y finalmente métodos de mecanizado. En particular, la mayoría de los talleres trabajan en la secuencia opuesta y primero consideran cambiar las herramientas o los métodos de mecanizado cuando intentan mejorar los resultados del mecanizado.

Un enfoque inicial mucho más fácil y generalmente efectivo comienza con la alteración de los parámetros de corte. Las condiciones de corte tienen una amplia gama de influencia, y cambiar la velocidad de corte o la tasa de avance en una cantidad nominal puede resolver un problema o aumentar la productividad sin el gasto o el tiempo que se consume en cambiar las herramientas.

Si la modificación de los parámetros de corte no produce el efecto deseado, se pueden realizar cambios en la geometría de la herramienta de corte. Sin embargo, este paso es más complicado que simplemente cambiar los parámetros, requerirá la aplicación de nuevas herramientas y aumentará los costos de tiempo de herramientas y máquinas. Un cambio en los materiales de las herramientas de corte es otra alternativa, pero también implicará una mayor inversión en tiempo y dinero. Puede ser necesario cambiar las herramientas de corte o los soportes, pero esto plantea la posibilidad de cambiar a herramientas hechas a medida, todo lo cual puede aumentar aún más los costos de fabricación.

Si todos estos pasos no proporcionan el resultado deseado, entonces puede ser necesario un cambio en el método de mecanizado. La clave es explorar los cambios de manera deliberada, paso a paso, que aclare qué factores realmente producen el resultado deseado.

Debido a que parece ser un enfoque rápido y fácil, muchos talleres usan sistemas CAM para guiar sus selecciones de herramientas. Ese método es efectivo en muchos casos, pero puede no proporcionar resultados óptimos. Un sistema CAM no tiene en cuenta la gama completa de características operativas individuales. La aplicación de una fresa, por ejemplo, no es simplemente un caso de conectar la velocidad, la velocidad de avance y el DOC. La aplicación óptima involucra factores que van desde el número de dientes en el cortador, qué tan bien se evacuan las virutas y la fuerza de la herramienta, hasta la estabilidad de la fresadora. Es necesario reconocer todos esos factores para alcanzar por completo los objetivos de una operación de fabricación, ya sea la tasa de remoción de metal, la vida útil de la herramienta, la rugosidad de la superficie o la economía.

Velocidad, avance y profundidad de corte

Muchos gerentes de taller creen que el simple aumento de las velocidades de corte producirá más piezas por período de tiempo y, por lo tanto, reducirá los costos de fabricación. Sin embargo, hay más elementos de los costos de fabricación que solo el volumen de producción. Un ejemplo es una operación en la que cambiar una herramienta a mitad de la operación tendría un efecto perjudicial en la calidad de la pieza y el tiempo de mecanizado.

El aumento de la velocidad de corte daría como resultado una producción más rápida, pero la vida útil de la herramienta disminuiría. Los costos de mecanizado aumentarían debido a los reemplazos de herramientas más frecuentes y al mayor tiempo de inactividad de la máquina durante los cambios.

El aumento de la velocidad de corte acorta la vida útil de la herramienta y puede hacer que la operación sea menos estable, mientras que cambiar la profundidad de corte o la velocidad de avance tiene un efecto mínimo en la vida útil de la herramienta. En consecuencia, los mejores resultados provienen de un enfoque equilibrado que implica velocidades de corte reducidas combinadas con aumentos proporcionales en la velocidad de avance y la profundidad de corte. Utilizar la mayor profundidad de corte posible disminuye el número de pasadas de corte necesarias y, por lo tanto, reduce el tiempo de mecanizado. La velocidad de avance también debe maximizarse, aunque la calidad de la pieza de trabajo y el acabado de la superficie pueden verse afectados por velocidades de avance excesivas.

En un ejemplo generalizado, aumentar la velocidad de corte de 180 m/min a 200 m/min aumentará la tasa de eliminación de metal en solo un 10 por ciento, pero tendrá un efecto negativo en la vida útil de la herramienta. El aumento de la velocidad de avance de 0,2 mm/rev a 0,3 mm/rev aumentará la velocidad de eliminación de metal en un 50 %, con un efecto mínimo, si es que lo hay, en la vida útil de la herramienta.

En la mayoría de los casos, los aumentos en la velocidad de avance y la profundidad de corte a velocidades de corte iguales o inferiores aumentarán la velocidad de remoción de metal de una operación a la que se logra con velocidades de corte más altas solamente. Entre los beneficios de trabajar con una combinación de velocidades de corte más bajas con mayores velocidades de avance y menor profundidad de corte se encuentra el consumo reducido de energía.

El paso final en la optimización de las condiciones de corte es seleccionar un criterio apropiado en términos de costo mínimo o productividad máxima y usar la velocidad de corte para afinar el logro de ese criterio. Un modelo desarrollado a principios del siglo XX por el ingeniero mecánico estadounidense F.W. Taylor puede guiar esa elección.

El modelo demuestra que para una combinación determinada de profundidad de corte y avance, existe una determinada ventana de velocidades de corte en la que el deterioro de la herramienta es seguro, predecible y controlable. Al trabajar en esa ventana, es posible calificar y cuantificar la relación entre la velocidad de corte, el desgaste de la herramienta y la vida útil de la herramienta. El objetivo es una mayor velocidad de corte que reduzca los costos de tiempo de la máquina pero que no aumente excesivamente los costos de las herramientas de corte a través del desgaste acelerado de las herramientas.

Sustrato y geometría de la herramienta

Los pasos adicionales para optimizar la aplicación de la herramienta pueden incluir el ajuste fino de las características del sustrato y la geometría de la herramienta. Así como ajustar las condiciones de corte implica lidiar con compensaciones que dependen de los resultados deseados, maximizar la productividad a través de cambios en el sustrato de la herramienta requiere un equilibrio de compensaciones entre las propiedades del sustrato.

Debido a que el filo de una herramienta debe ser más duro que el material que corta, la dureza es una característica clave de la herramienta. La alta dureza, especialmente a temperaturas elevadas generadas en el mecanizado de alta velocidad, prolongará la vida útil de la herramienta. Sin embargo, una herramienta más dura también es más frágil. Las fuerzas de corte desiguales que se encuentran en el desbaste, especialmente en cortes interrumpidos que involucran escala o profundidades de corte variables, pueden causar la fractura de una herramienta de corte dura. La inestabilidad en la máquina-herramienta, el accesorio o la pieza de trabajo también puede precipitar la falla.

Por el contrario, aumentar la dureza de una herramienta al incluir un mayor porcentaje de aglutinante de cobalto, por ejemplo, permitirá que una herramienta resista el impacto. Pero al mismo tiempo, la dureza reducida hace que una herramienta esté sujeta a un rápido desgaste y/o deformación en operaciones de alta velocidad o cuando se mecanizan piezas de trabajo abrasivas. La clave es equilibrar las propiedades de la herramienta a la luz del material de la pieza de trabajo que se está mecanizando.

La elección de geometrías de herramientas también implica compensaciones. Una geometría de corte positiva y un borde de corte afilado reducen las fuerzas de corte y maximizan el flujo de viruta. Sin embargo, un borde afilado no es tan fuerte como uno redondeado. Las características geométricas como las T-lands y los chaflanes se pueden manipular para fortalecer el filo.

Una T-land, un área de refuerzo detrás del filo de corte, colocada en un ángulo positivo puede proporcionar la fuerza suficiente para manejar operaciones específicas y materiales de la pieza de trabajo y minimizar las fuerzas de corte tanto como sea posible. Un chaflán cuadra la parte más débil de un filo afilado, al precio de aumentar las fuerzas de corte. Las geometrías de control de virutas "duras" guían las virutas a través de un ángulo relativamente agudo para curvarlas y romperlas inmediatamente. Estas geometrías pueden ser eficaces con materiales de viruta larga, pero imponen una carga adicional en el filo de corte. Las geometrías de control de virutas "suaves" ponen menos carga en el filo de corte, pero generan virutas más largas. Se pueden combinar diferentes características geométricas, así como tratamientos de filos de herramientas, como afilados, para optimizar el rendimiento de corte en materiales de piezas de trabajo específicos.

Conclusión

Debe señalarse que, mientras que el personal de planta y quizás los ingenieros de producción están muy preocupados por las condiciones de corte y la productividad que representan, los gerentes de nivel superior no están tan preocupados por esos números como por los objetivos comerciales de las operaciones de fabricación en su conjunto. Aquellos que eligen las condiciones de corte y las herramientas de corte deben pensar primero en los objetivos más amplios de las operaciones de mecanizado de su empresa y utilizarlos para orientar la selección de las condiciones de corte y las herramientas que brindan el rendimiento que hará posible el logro de esos objetivos.

Versatilidad de herramientas para escenarios de producción modernos

La fabricación está pasando de una producción en masa de alto volumen a escenarios de mecanizado de bajo volumen y alta combinación como resultado de una mayor utilización de estrategias de producción justo a tiempo y el crecimiento de la subcontratación. Los subcontratistas producen cada vez más lotes más pequeños de forma intermitente pero repetitiva. Equilibrar las consideraciones de productividad y costo de la herramienta requiere herramientas que ofrezcan versatilidad y flexibilidad en una amplia ventana de aplicaciones. Minimizar el número de herramientas diferentes en el taller reduce el tiempo de manipulación de herramientas y aumenta el tiempo disponible para las operaciones de mecanizado.

La forma tradicional de aumentar la productividad en una operación individual que implica largas tiradas de piezas idénticas es aplicar herramientas especialmente diseñadas para ese proceso específico. Vale la pena diseñar e implementar herramientas especiales cuando el gasto se puede amortizar en un largo ciclo de producción.

Sin embargo, equilibrar las consideraciones de productividad y costo de la herramienta en situaciones variables de lotes más pequeños se logra mejor con herramientas versátiles "universales" que ofrecen flexibilidad en una amplia ventana de aplicación. Estas herramientas reducen el tiempo de inactividad al minimizar el tiempo necesario para cambiar una nueva herramienta cuando cambia la pieza de trabajo. También eliminan la necesidad de configurar y probar nuevas herramientas.

Un ejemplo de este tipo de herramientas es la gama de fresas Seco Turbo. Estas herramientas ofrecen versatilidad en una amplia gama de aplicaciones para proporcionar una combinación de rentabilidad y alto rendimiento. La geometría de corte positiva de los cortadores reduce el consumo de energía, lo que aumenta la vida útil de la herramienta y la posibilidad de aumentar las profundidades de corte y los avances.

Otro enfoque de las herramientas universales consiste en ensamblar un conjunto de herramientas que se adapte a una variedad de aplicaciones. Las herramientas de Seco Selection están diseñadas para brindar flexibilidad. El grupo seleccionado incluye un número limitado de herramientas que pueden no proporcionar necesariamente la máxima productividad o rentabilidad absoluta en todas las aplicaciones. Sin embargo, las herramientas serán la mejor opción y la más económica cuando se desee la máxima flexibilidad para mecanizar una variedad de piezas de trabajo y componentes que cambian rápidamente.

Aparecido anteriormente en SecoTools.com.